一种用于优化膜洗滤过程处理时间的控制方法
【专利摘要】本发明属于膜过滤【技术领域】，具体涉及一种用于优化膜洗滤过程处理时间的控制方法。其特征在于：获取被截留组分在保留液主体中的即时浓度C与积累数据即时估算值CG，将CG与CG/e比较，当C等于CG/e时开始顶洗；即若C小于CG/e，则继续浓缩，当C大于CG/e时，稀释保留液至C等于CG/e，然后进行顶洗。该方法可以适用于回收料液中透过性目的物，或提高被截留目的物组分的纯度。
【专利说明】一种用于优化膜洗滤过程处理时间的控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于膜过滤【技术领域】，具体涉及一种用于优化膜洗滤过程处理时间的控制方法；针对具体的物料体系和膜过滤要求，该方法可在保证目的物收率或脱除率，以最短处理时间为目标，给出膜洗滤过程的具体控制步骤、控制参数及具体参数值。
【背景技术】
[0002]膜洗滤是一种向保留液中加入顶洗剂洗出溶解性物质的压力驱动膜过滤过程，通常被用来提高滤液中小分子物质收率或增加截留物中大分子物质的纯度；根据溶质的性质及膜的选择性，膜洗滤可被用于微滤、超滤、纳滤等过程。洗滤作为一种基本的膜过滤过程，具有工艺成熟、收率/脱除率可控、适应范围广等优点，被用于制药、化工、材料等行业；例如，制药工业中发酵液澄清过程(分离菌丝体等大颗粒组分，回收溶解态可溶性组分)；化学工业中原料液无机盐脱除过程；高纯粉体的脱离子过程等；作为一种可控分离原料液中不同组分的有效技术，膜洗滤过程在电子、食品、医药、石油、环保等方面有着日益广泛的应用。
[0003]典型的膜洗滤过程一般包括三个步骤:(1)前浓缩:将料液由初始体积Vtl浓缩至某个中间体积vd，去除一些小物质(定义前浓缩比
a=f ) ;(2)顶洗:在过滤同时向系统加入顶洗剂，“洗出”小物质，提高滤液中小分子物质收率或增加截留物中大分子物质的纯度(定义恒容顶洗过程中稀释比b ，其中Vw为加入顶洗剂总体积)；(3)后浓缩:根据真实情况的需要，进一步减小保留液体积，将其浓缩至最终体积Ve (定义后浓缩比c = ^)0
[0004]大多数关于膜洗滤的研究主要集中在即时膜通量的提高方面，针对特定物系及膜设备，通过优化跨膜压差、膜面流速、料液温度等操作条件，可以提高其通量；但在实际生产过程中，生产者更关心的是目的物浓度、料液体积、目的物收率，处理时间等指标内容。工业化生产过程中，在满足目的物收率前提下，生产效率或处理时间直接影响企业的经济效益，是被重点关注的对象；研究发现，目的物截留率或透过率、稀释比、浓缩比等参数对洗滤过程有显著影响，由于降低前浓缩比会使顶洗时保留液体积减小，但这同时会使渗透通量减小；而提高前浓缩比会使顶洗时保留液体积变大，但这同时会使渗透通量增大；处理时间是滤液体积和渗透通量的比值，在洗滤过程中可能存在一个恰当的浓缩比值，使得总膜处理时间最短；而在膜洗滤的具体实施过程中，由于缺乏具体优化方法的支持，如何在保证过滤效果的同时缩短处理时间，成为膜洗滤优化过程中必须面对但又难以解决的问题。
【发明内容】
[0005]为了缩短膜洗滤过程处理时间，提高生产效率，本发明提供了一种膜洗滤处理过程的具体操作与控制方法，在保证目的物收率或脱除率情况下，以最短处理时间为目标，给出膜洗滤过程的具体控制步骤、控制参数及具体参数值。
[0006]本发明的用于优化膜洗滤过程处理时间的控制方法，适用于膜过滤介质对被截留组分具有截留作用的液相或气相物系。
[0007]对于压力驱动的膜渗透过程，压差、温度等操作条件及物料性质稳定情况下，膜渗透通量主要受到被截留组分的浓度影响，此时可以得到膜渗透通量与料液中被截留组分浓度的关系为:
I = Pin Cf)
式中J为膜渗透通量；P为传质常数被截留组分在膜表面的即时表观极限浓度；c为被截留组分在保留液主体中的即时浓度。
[0008]本发明所述方法所涉及的过程处理时间为用于膜过滤处理的设备实际运行时间。
[0009]本发明所述方法是在浓缩料液的同时估算被截留组分的即时表观极限浓度Ce，并在保留液中被截留组分浓度达到Ce/e时开始顶洗(e为自然常数)；被截留组分的表观极限浓度Ce值是基于生产数据即时获得的，并被用于即时指导生产过程；该被截留物，可以是单一的大尺寸/分子物质，也可以包括多个被截留物质;CG值表征的是被截留物在膜表面发生浓差极化时所达到的一个表观极限浓度值，通常是一个虚拟值，而不一定与真实浓度值相符。
[0010]本发明所述方法所涉及的顶洗阶段，顶洗剂可以是连续流加的，也可以是间歇分批加入的；在0；值稳定的顶洗过程中，所加入的顶洗剂与滤液的体积相同；当0；值发生变化时，则调整顶洗剂的加入量从而调整保留液体积，使其中保留液中被截留物浓度仍然处于CG/e状态。
[0011]针对具体物料体系、膜处理设备和处理指标要求，本方法的实现步骤为:
I)在设定操作条件下，启动设备，开始预浓缩料液，同步测试并记录膜过滤通量及被截留组分在保留液主体中的即时浓度C在前浓缩阶段，当被截留物的初始浓度为Ctl,初始料液体积为Vtl,滤液体积为V，过滤介质对代表性被截留物的截留率为I时，被截留组分在保留液主体中的即时浓度C可由式C= C0V0/ Vtl-V计算得到)；对处理过程中获得的实际数据进行即时处理，以J为纵坐标，hil)为横坐标作图，并作线性回归；由式I = PI丨- η (专)可知直线斜率为传质常数P,to(丨)=0时纵坐标截距等于并作线性回归，据此可以在已有数据基础上估算被截留组分的即时表观极限浓度值ce。
[0012]2)当实际数据增长至2个以上时，可以利用积累的数据展开即时估算，得到代表性渐趋增强的即时表观极限浓度值Ce和传质常数P值；将料液即时浓度C与Ce/e值比较，当
C等于Ce/e时开始顶洗；若C小于Ce/e，则继续浓缩；特别地，当C大于Ce/e时，可稀释保留液至C等于Ce/e，然后进行顶洗。
[0013]3)顶洗过程中同步估算滤液中透过性组分的收率或脱除率，直到其满足生产要求。
[0014]4)如果对保留液中被截留物有具体浓度要求，则可进行后浓缩或稀释，满足生产指标后结束物料的膜过滤过程。
[0015]本发明所述方法所涉及的目的物可以是大尺寸非均相颗粒或大分子可溶性均相物质，也可以是小分子溶质；通常，控制可透过性物质在滤液中的收率，可以保证小分子物质的回收指标；同样，控制可透过性物质在滤液中的收率，也可以保证被截留物质中可透过性物质的脱除率(即保证被截留物的纯度)。
[0016]本发明所述方法所涉及的顶洗剂可以是纯水，也可以是顶洗剂溶液；此外，当保留液或原料液需要稀释时，顶洗剂可作为稀释剂加入，也可用另外的稀释液；若对顶洗剂的温度有具体控制要求，可以根据需要设置换热装置。
[0017]本发明所述方法所涉及的一般过程为“浓缩、顶洗、浓缩”，具体过程可根据不同的过滤要求变为“稀释、顶洗、浓缩”、“浓缩、顶洗、稀释”、“浓缩、顶洗”、“顶洗、浓缩”、“稀释、顶洗”及“顶洗”等过程；例如，若只对滤液中可透过性物质的收率有要求，可以采用包括前浓缩和顶洗两个环节的洗滤过程；若同时对被保留液中截留物浓度和滤液中透过性组分有要求，可采用包括前浓缩(稀释)、顶洗、后浓缩(稀释)三个环节的洗滤过程；总之，具体过程可以根据不同过滤要求，将浓缩、稀释与顶洗环节组合(例如浓缩与顶洗环节多次交替进行)，可以一次浓缩(稀释)、一次顶洗；可以多次浓缩(稀释)、多次顶洗；浓缩(稀释)次数可以和顶洗次数不相等。
[0018]本发明所述方法所得到的滤液中透过性组分最终浓度太低，则可增大浓缩比以提高可透过性物质浓度；此时可在物料衡算基础上，在满足滤液中透过性组分最终浓度的条件下，在保留液中被截留组分浓度满足Ce/e值的要求时开始顶洗；若浓度太高，则可稀释滤液；若保留液量太多，难以处理，则可在顶洗结束后继续浓缩以达到适合的体积，以减小处理难度。
[0019]本发明的有益效果:1)提供了一个在正式生产中即时估算极限浓度Ce的处理方法，避免了单独进行实验估算Ce的繁琐步骤，缩短了实际生产时间；2)通过该方法中的即时估算过程，可以获得基于生产的真实数据，保证了估算数据与真实生产的一致性；3)该方法可以适用于回收料液中透过性目的物，或提高被截留目的物组分的纯度。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为膜洗滤过程图例。
[0021]图2为控制方法原理流程图。
[0022]图3为实施例1中前浓缩比与过滤处理时间的关系曲线。
【具体实施方式】
[0023]单级膜洗滤流程示例如图1所示，料液从入口 I进入循环釜A，经循环泵B进入膜设备C ;保留液部分返回循环釜A，部分经出口 3流出本级膜过滤系统；滤液可由出口 4收集；图中物料的进出口 1、2和3虽然标识在了设备系统中的特定部位，但可根据需要对三者的位置互换，或转移至能与保留液相通的其他部位；特别地，当上一级的保留液出口 3与下一级的原料液入口 I相连，可将多个单级系统串联为一个多级系统；在实际操作过程中，顶洗剂入口 2可以据需要进行设置或取消(如将第一级作为浓缩段)，也可以变为稀释剂入口。
[0024]如图2所示，I)在设定操作条件下，启动设备，开始预浓缩料液，同步测试并记录膜过滤通量及料液中代表性被截留物的即时浓度；对处理过程中获得的实际数据进行即时处理，以J为纵坐标，to(^为横坐标作图，并作线性回归，据此可以得到基于累积数据的被截留组分的表观极限浓度Cg值;2)随着实际数据的增多，表观极限浓度Ce值和传质常数P
值的代表性渐趋增强，将料液中被截留物即时浓度C与Ce/e值比较，当C等于Ce/e时开始顶洗(顶洗剂加入方式可以连续流加，也可以间歇分批加入)，若C小于Ce/e，则继续浓缩；特别地，当C大于Ce/e时，可稀释保留液至C等于Ce/e，然后进行顶洗；特别地，当料液中被截留物初始浓度等于Ce/e时，则立刻开始顶洗，此外，若在顶洗过程中Ce值稳定，所加入的顶洗剂与滤液体积相同；当Ce值发生变化时，则调整顶洗剂的加入量从而调整保留液体积，使其中保留液中被截留物浓度仍然处于Ce/e状态；3 )顶洗过程中同步估算滤液中透过性组分的收率，直到其满足生产要求(若目的物是大尺寸非均相颗粒或大分子可溶性均相物质，即保证透过性小分子物质去除指标；若目的物是小分子溶质，则保证其回收指标);4)如果对得到的保留液中被截留组分有具体浓度要求，则可在顶洗阶段结束后据情况进行后浓缩或稀释，以满足生产指标；如果所得到的滤液中透过性组分最终浓度太低，则可增大浓缩比以提高可透过性物质浓度(在满足滤液中透过性组分最终浓度的条件下，在保留液中被截留组分浓度满足值Ce/e的条件下开始顶洗)，或对滤液实施另外的浓缩；若滤液中透过性组分浓度太高，则可将滤液稀释至要求值；若保留液中被截留物浓度太低，则可在顶洗结束后继续浓缩以达到适合的体积，或采用另外的浓缩处理。
[0025]具体操作过程可根据不同的过滤要求变为“稀释、顶洗、浓缩”、“浓缩、顶洗、稀释”、“浓缩、顶洗”、“顶洗、浓缩”、“稀释、顶洗”及“顶洗”等过程；例如，若只对滤液中可透过性物质的收率有要求，可以采用包括前浓缩和顶洗两个环节的洗滤过程；若同时对被保留液中截留物浓度和滤液中透过性组分有要求，可采用包括前浓缩(稀释)、顶洗、后浓缩(稀释)三个环节的洗滤过程；总之，具体过程可以根据不同过滤要求，将浓缩、稀释与顶洗环节组合(例如浓缩与顶洗环节多次交替进行)；可以一次浓缩(稀释)、一次顶洗；可以多次浓缩(稀释)、多次顶洗；浓缩(稀释)次数可以和顶洗次数不相等。
[0026]下面通过3个实施例说明本发明。
[0027]实施例1
某车间将酸化后的头孢菌素c (CPC)发酵液过滤，使用浓缩和顶洗两个环节相结合的洗滤过程处理，顶洗剂为酸性水，洗滤设备为超滤设备。
[0028]洗滤设备为单级膜过滤系统，流程可参考附图1 ;在压力为0.24MPa、温度为14°C情况下，循环釜中被截留物浓度为32wt%的CPC发酵液，经循环泵以3m/s的流速进入膜设备；截留液返回循环釜；滤液经出口收集。
[0029]控制流程可参考附图2。被截留物浓度为32wt%的300L CPC发酵液放入循环釜，开始浓缩，同步估算出相应的极限浓度=208 wt %，并将CPC发酵液中被截留物即时浓度C与Ce/e (CG/e=76.52 wt %)值比较。由于C小于76.52 wt %，继续浓缩料液直到被截留物浓度C达到76.52 wt %，向循环釜中加入酸水顶洗，并同步估算出滤液中CPC收率ξ，将ξ与其目标收率95.0%进行比较，直至ξ达到95.0%，则结束顶洗，洗滤处理过程完成。
[0030]如图3所示，在前浓缩比a = ^ =0.42及料液浓度C=^ = ^ =76.52wt%时，处理
‘SI f
时间最短(G为料液中被截留组分初始浓度)。
[0031]实施例2
某设备进行氢氧化钙浊液中氯化钠的脱除，使用前浓缩、顶洗两个环节相结合的洗滤过程处理，顶洗剂为纯水，膜洗滤设备为微滤膜设备。
[0032]膜洗滤设备为单级微滤膜过滤系统，流程可参考附图1 ;在压力为0.1MPa、温度为18°C情况下，循环釜中被截留物浓度为0.57wt%的氢氧化钙浊液，经循环泵以2m/s的流速进入膜设备；截留液返回循环釜，滤液经出口收集。
[0033]控制流程可参考附图2。被截留物氢氧化钙浓度为0.57wt%的500L氢氧化钙浊液放入循环釜，开始浓缩，同步估算出相应的极限浓度Ce=79.08 wt %，并将氢氧化钙浊液中被截留物氢氧化钙即时浓度C与0^(0^=29.09 wt %)值比较；由于C小于29.09 wt %，继续浓缩料液直到氢氧化钙浓度C达到29.09 wt %，向循环釜中加入纯水顶洗，并同步估算出脱盐率R，将R与目标脱盐率98.0%进行比较，直至R达到98.0%，则结束顶洗，洗滤处理过程完成。
[0034]实施例3
某设备进行乳清溶液的浓缩，使用浓缩、顶洗、浓缩三个环节相结合的洗滤过程处理，脱除其中钠、钾等无机离子，顶洗剂为弱碱性水，洗滤设备为平均截留分子量150D的纳滤设备。
[0035]洗滤设备为单级膜过滤系统，流程为3级串联流程，单级流程可参考附图1 ;在压力为1.2MPa、温度为15°C情况下，循环釜中被截留物乳清蛋白和乳糖等大分子浓度为32wt%的乳清溶液，经循环泵以3m/s的流速进入膜设备；截留液返回循环釜，滤液经出口收集。
[0036]控制流程可参考附图2 ;被截留物浓度为15.00wt%的40L乳清溶液放入循环釜，开始浓缩，同步估算出相应的极限浓度Ce=75.00 wt %,并将乳清溶液中乳清蛋白等被截留大分子即时浓度C与0:/^(0/6=27.59 wt %)值比较；由于C小于27.59 wt %，继续浓缩料液直到被截留大分子物质即时浓度C达到27.59 wt %，向循环釜中加入弱碱性水顶洗，并同步检测滤液电导率并计算原液中钠、钾等无机离子的脱除率I，将其与目标脱除率98%进行比较，直至达到98%，则结束顶洗；继续浓缩，直到被截留物浓度达到30 wt %，结束浓缩，整个洗滤处理过程完成。
【权利要求】
1.一种用于优化膜洗滤过程处理时间的具体操作与控制方法，其特征在于:获取被截留组分在保留液主体中的即时浓度C与积累数据即时估算值Ce，将C与Ce/e比较，当C等于时Ce/e开始顶洗；即若C小于Ce/e，则继续浓缩，当C大于Ce/e时，稀释保留液至C等于Q/e，然后进行顶洗；所述Ce为被截留组分的即时表观极限浓度值。
2.如权利要求1所述的一种用于优化膜洗滤过程处理时间的具体操作与控制方法，其特征在于:所述被截留组分在保留液主体中的即时浓度C的计算方法如下:在前浓缩阶段，当被截留物的初始浓度为Ctl，初始料液体积为Vtl，滤液体积为V，过滤介质对代表性被截留物的截留率为I时，被截留组分在保留液主体中的即时浓度C= C0 V0/ Vtl-V。
3.如权利要求1所述的一种用于优化膜洗滤过程处理时间的具体操作与控制方法，其特征在于:所述被截留组分的表观极限浓度值Ce的积累数据即时估算方法如下:在设定操作条件下，启动设备，开始预浓缩料液，同步测试并记录膜过滤通量J及被截留组分在保留液主体中的即时浓度C ;对处理过程中获得的实际数据进行即时处理，以J为纵坐标，Ιηφ为横坐标作图，并作线性回归；由式.1 = Pte(Cs)+ gin φ可知直线斜率为传质常数=O时纵坐标截距等于并作线性回归，利用积累数据估算得到代表性渐趋增强的被截留组分的表观极限浓度值ce。
4.如权利要求1所述的一种用于优化膜洗滤过程处理时间的控制方法，其特征在于:所述顶洗过程中，同步估算滤液中透过性组分的收率或脱除率，直到其满足生产要求，然后停止顶洗；如果对保留液中被截留物有具体浓度要求，则可进行后浓缩或稀释，满足生产指标后结束物料的膜过滤过程。
5.如权利要求1所述的一种用于优化膜洗滤过程处理时间的控制方法，其特征在于:所述控制方法适用于膜过滤介质对被截留组分具有截留作用的液相或气相物系，顶洗阶段的顶洗剂是连续流加或间歇分批加入的。
6.如权利要求1所述的一种用于优化膜洗滤过程处理时间的控制方法，其特征是:Ce值稳定的顶洗过程中，所加入的顶洗剂与滤液的体积相同；当Ce值发生变化时，则调整顶洗剂的加入量从而调整保留液体积，使其中保留液中被截留物浓度仍然处于Ce/e状态。
7.如权利要求1所述的一种用于优化膜洗滤过程处理时间的控制方法，其特征是:膜洗滤过程的目的物是大尺寸非均相颗粒、大分子可溶性拟均相物质或小分子溶质。
8.如权利要求1所述的一种用于优化膜洗滤过程处理时间的控制方法，其特征是:所述控制方法为可透过的小分子物质在滤液中的收率控制过程；或被截留物中可透过物质的脱除率控制过程。
9.如权利要求1所述的一种用于优化膜洗滤过程处理时间的控制方法，其特征是:所述控制方法的具体操作过程可以根据不同过滤要求，将浓缩、稀释与顶洗环节组合，且浓缩或稀释的次数可以和顶洗次数不相等。
【文档编号】B01D61/22GK104162363SQ201410350908
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】王岚, 杨振东, 王龙耀, 陈群 申请人:常州大学